基于扩频的汽车雷达后向散射通信系统研究

黄 壮， 夏伟杰， 余思伟， 李 典

(南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室， 江苏南京 211106)

0 引言

近年来，车路协同是智能交通和自动驾驶领域的发展方向之一，而汽车防撞雷达作为自动驾驶中必不可少的感知传感器，基于汽车防撞雷达的车路协同技术逐渐成为研究热点。因此，通过后向散射通信技术，在传统汽车防撞雷达的基础上增加路旁交通标志的标签识别功能具有重要的研究和应用价值[1-3]。标签识别功能不仅可以用于交通标志识别，还可以通过给汽车安装标签，实现简单的车际通信，如转向或刹车通知[3]，这都将有助于提高汽车的驾驶安全性。

后向散射通信是一种新兴的无线通信方式，因为具备低功耗和系统复杂度低的优点，在射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)中得到广泛应用[3-4]。在后向散射通信链路中，标签通过反射部分射频信号来产生后向散射调制信号，完成与阅读器的通信任务。标签的后向散射调制常通过调节天线阻抗来实现对反射信号的幅度、频率或相位调制[4]。然而，由于标签后向散射信号的能量较低，且随着距离的增大而迅速减弱[5]。在实际道路环境中，标签后向散射信号会被淹没在车路目标回波、杂波和噪声中，大大降低了后向散射通信系统的可靠性。

汽车防撞雷达最常用的信号体制是调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)体制。针对基于FMCW雷达的后向散射通信技术研究，文献[6]提出一种基于频率调制的后向散射雷达通信系统，在对标签节点测距的基础上增加了数据传输功能。文献[7]提出一种基于相位调制的后向散射应答器，并在应答器与FMCW雷达询问器之间建立单向通信链路。文献[8]为解决后向散射通信信道中静杂波和扩展多普勒杂波滤除问题，提出游程长度限制信道编码。当前研究工作主要基于RFID应用背景，聚焦近距离标签信息提取过程的验证与实现，而没有解决远距离标签后向散射信号能量弱的问题。

为了解决这一问题，本文在传统汽车防撞雷达的基础上设计一种基于扩频编码的 FMCW雷达后向散射通信系统，将直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技术引入到标签的后向散射通信中，不仅可以增强标签目标信号，还可以区分车辆和标签目标，使得汽车防撞雷达系统同时具有车辆目标检测和标签目标识别的探测-通信一体化功能。

1 FMCW雷达后向散射通信系统

1.1 系统总体框图

系统框图如图1所示，雷达端发射FMCW信号并接收由标签后向散射调制信号、车辆目标回波、杂波和噪声组成的回波信号，经过接收机预处理后，由信号处理模块负责回波信号处理和标签信息提取，如图2所示。

图1 FMCW雷达后向散射通信系统框图

图2 雷达端信号处理流程图

1.2 回波信号建模

系统基于FMCW体制雷达，发射信号为连续的线性调频信号(Chirp信号)。定义信号参数为：初始频率为f0，带宽为B，调频周期为Tp，调频斜率K=B/Tp，单个Chirp脉冲信号表示为[9]

xt(t)=exp(j2πf0t+jπKt2)，t∈[0,Tp]

(1)

FMCW发射信号可表示为

(2)

假设一匀速运动的车辆目标，以相对径向速度vcar远离雷达，在t=0时刻与雷达的距离为Rcar，该车辆目标的回波时延τcar=2(Rcar+vcart)/c，其中c为光速，多普勒频率fd=2vcar/λ(λ为信号波长)。不考虑目标反射回波强度传播衰减的情况，车辆目标的接收回波可表示为

(3)

假设一静止标签目标，与雷达的相对径向速度为vtag，在t=0时刻与雷达的距离为Rtag，来自该标签目标的回波时延τtag=2(Rtag+vtagt)/c。驱动标签后向散射调制的码元序列为ak，码率为Ra，码元周期Ta=1/Ra，则标签信息信号为

(4)

其中，标签采用二相相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)调制[7]，ak={+1,-1}分别对应相位{0,π}，ga(t) 为脉冲宽度Ta的门函数：

(5)

标签端引入扩频编码技术，即在信息码后加入扩频编码。令ck为扩频码序列，码率为Rc，码元周期Tc=1/Rc，扩频编码信号为

(6)

式中，gc(t) 为脉冲宽度Tc的门函数。扩频编码是通过信息码序列与扩频码序列直接相乘来实现[10]，则扩展后的码元序列为

(7)

xt(t-nTp-τtag)

(8)

式中，φ为标签与雷达之间的时钟差。该时钟差可通过在标签信息码中加入前导同步序列进行估计[11]，本文暂不考虑。

因此，包含多车辆目标、多标签目标以及杂波和噪声的回波信号可表示为

(9)

式中，Gcar为全部车辆目标的集合，Gtag为全部标签目标的集合，n(t)为杂波和噪声的集合。

1.3 车辆目标检测处理链路

雷达端的车辆目标检测处理链路主要包括两个步骤：混频和两维快速傅里叶变换(2D Fast Fourier Transform, 2D-FFT)处理。

1) 混频

回波信号处理之前需要经过混频处理获得中频信号。混频的具体过程为回波信号与本振信号(发射信号)在时域共轭相乘。混频后的中频信号表示为

(10)

2) 2D-FFT处理

混频后中频信号常采用2D-FFT处理来获取目标的距离、速度信息[9]。通过对每个Chirp脉冲回波作距离FFT处理，得到差拍频率fb,car；对距离FFT结果再作多普勒FFT处理，即可得到目标的多普勒频率fd,car，则车辆的距离和速度为

(11)

若要获取车辆目标的全部状态信息，2D-FFT处理之后还需要进行恒虚警(Constant False Alarm Rate, CFAR)检测、角度FFT等操作[9]，本文暂不讨论这些处理过程。

1.4 后向散射通信处理链路

后向散射通信处理链路作用是检测和提取标签目标的原始码元信息，主要包括解扩处理和相干解调两个步骤。

1) 解扩处理

解扩过程与扩频过程类似，用本地扩频码序列c′(t)与接收混频后的信号sd(t)相乘[12]。c′(t)由雷达端生成，与标签端的扩频码序列c(t)相同，但初始相位可能不同。本文暂不考虑扩频码的同步问题，即假设c(t)=c′(t)，由于汽车雷达工作距离在几百米范围内，回波时延较小，可忽略τtag/2给解扩处理带来的影响，则解扩后信号为

sds(t)=sd(t)·c′(t)=

(12)

从式(12)可以看到，由于车辆目标回波和杂波、噪声信号与扩频码序列不相关，在解扩处理中等效于进行一次扩频，信号的功率谱幅度大大降低；而经过解扩处理后的标签信号调制信息刚好恢复到原始码元序列，功率谱也恢复到原始形状。这对于在多车辆目标和强杂波、噪声的道路环境下检测标签信号非常有利，同时也有利于标签码元信息的准确恢复。

2) 相干解调

标签信息的提取采用相干解调的方法，相干解调包括相干相乘、低通滤波和抽样判决三个步骤[3，11]。相干相乘即使用标签目标的相干载波分量与解扩后的中频信号共轭相乘得到基带信号。相干载波分量的提取过程类似于车辆目标检测处理过程，即通过2D-FFT和CFAR检测提取标签目标的回波中频频率f′b,tag和多普勒频率f′d,tag，生成的标签本地相干载波分量副本为

f′d,tagnTp]}

(13)

则标签q相干相乘后的信号为

exp{j2π[(fb,tagi-f′b,tagq)(t-nTp)+

exp{j2π[(fb,carj-f′b,tagq)(t-nTp)+

(14)

若不考虑频率估计误差，即假设f′b,tag=fb,tag，f′d,tag=fd,tag，则相干相乘后可得到标签信号的基带码元信号，再通过低通滤波，滤除其他目标回波信号和杂波的高频分量。最后通过抽样判决即可得到标签码元信息。

2 扩频编码参数设计

2.1 码型选择

扩频技术有直接序列扩频、频率跳变扩频、时间跳变扩频以及混合扩频方式。本文所提出的后向散射通信系统采用DSSS技术，直接在标签端用高码率的扩频码序列与码元序列相乘，扩展信号频谱，减小杂波与后向散射调制信号的相关性[10]。在雷达端用相同的扩频码进行解扩，恢复原始码元序列，提高系统信噪比和抗干扰能力，有利于微弱标签信号的检测。

直接序列扩频系统中的扩频码序列通常为伪随机(Pseudo-Noise, PN)序列，m序列是一种容易产生、规律性强、性能优良的伪随机序列，并且大多数伪随机序列均基于m序列组成。因此，本文选用二元m序列作为实现标签端扩频编码的扩频码。长度为2n-1的m序列可通过n级线性移位寄存器生成[12]。

2.2 码率设计

雷达方程在雷达、通信系统设计、参数分析等方面发挥着十分重要的作用，式(15)为雷达方程的基本形式。

(15)

式中，Pt为发射功率，Gt,Gr分别为发射和接收天线增益，σ为目标RCS值，k为玻耳兹曼常数，T0为标准室温，Bn为接收机带宽，F为噪声系数，Ls为系统损耗。

在式(15)中，加入脉冲压缩增益BTp、相干积累增益M(M为Chirp脉冲数)和扩频编码的处理增益Gp，可得到标签目标的雷达方程为

(16)

假设车辆目标RCS为σcardBsm，标签目标RCS为σtagdBsm，根据式(16)可得，在相同距离处，标签目标和车辆目标的回波信噪比要达到相同，扩频编码的处理增益须取为

(17)

Gp定义了扩频系统信噪比改善的程度，处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。

(18)

式中，Ba,Bss分别为扩频前后的信号带宽。因此，扩频码码率大小可设计为

(19)

2.3 码长设计

基于汽车防撞雷达的后向散射通信系统具有与传统RFID应用场景不同的特点，RFID系统中阅读器处于静止状态且标签距离较近，而汽车平台常处于高速运动中且标签距离雷达较远。因此，系统必须确保在一个距离门内完成标签信息的快速提取，否则会出现跨距离门问题，导致标签后向散射调制信号中包含多个中频频率，相干解调后则无法得到正确的基带码元信号。因此，要设计合理的扩频码码长，保证系统在一个距离门内完成扩频处理。

FMCW雷达的距离门宽度Δd=c/2B，假设装载雷达的汽车平台的最大速度为vmax，则一个距离门的时间间隔最短为

(20)

假设扩频码码长为Nc，则Nc必须满足

(21)

3 仿真结果与分析

3.1 仿真参数设置

系统主要仿真参数如表1、表2所示。

表2 FMCW雷达的信号参数

表1 FMCW雷达后向散射通信系统参数

设置标签信息的码元周期Ra=10 kHz，根据式(19)计算可得，Gp=σcar/σtag=20，而扩频码码长需设为2的幂次方，故Gp取为32，则扩频码码率Rc=32Ra=320 kHz；根据式(21)和脉冲数可设置码长Nc=212。

仿真场景设置为包含3个车辆目标和2个标签目标的道路环境，如表3所示。为了验证系统的鲁棒性，车辆2和标签1目标设置在同一距离处。

表3 仿真场景目标设置

3.2 系统功能仿真验证

1) 扩频处理结果

图3中仅取了标签1的8位码元序列，可以看到，低速的标签码元信号通过高码率扩频码转换成高码率、不相关的扩频信号。

(a) 标签1码元信息

2) 2D-FFT处理结果

雷达端在2D-FFT处理前可以通过选择是否进行解扩处理来区分标签和车辆目标。若不作解扩处理，标签目标仍处于扩展状态，可正常进行车辆目标检测，如图4(a)所示；若经过解扩处理，标签信号恢复到原始慢码元序列调制的状态，而车辆目标回波和杂波、噪声信号被扩展，谱密度降低，标签目标即可突显出来，如图4(b)所示。同时，经过解扩处理，系统信噪比得以提高，使得微弱的标签信号能被正确检测。

(a) 不作解扩处理

3) 相干解调结果

图5中黑色曲线为标签相干解调低通滤波后的结果，灰色曲线为标签原始码元序列。可以看到，两个标签信息均能正确恢复，虽然标签1信号存在同频的车辆2目标干扰，但仍有较好的恢复效果，图6的眼图可更加直观地观察到标签恢复结果。这说明了本文所提出的FMCW雷达后向散射通信系统能够实现标签识别功能，且具有较好的鲁棒性。

(a) 标签1低通滤波结果

(a) 标签1码元恢复眼图

3.3 系统性能仿真分析

1) 扩频增益性能分析

扩频增益体现在标签目标信号的增强和非标签目标信号的抑制，图7为解扩前后距离FFT频谱对比图，可以看到，标签信号在解扩后增强了约15 dB。与理论扩频增益Gp=10log(32)=15 dB基本一致，说明了系统的扩频增益性能达到预期效果。

(a) 不作解扩处理

2) 误码率性能分析

图8表示在不同信噪比下AWGN信道的误码率曲线图，比较了系统在直接后向散射调制和基于直接序列扩频技术这两种状态下的误码率性能。从图中可以看出，在低信噪比环境下，基于扩频技术的后向散射通信系统误码率性能得到改善。即使信号功率低于噪声基底时，系统也能够保持良好的误码率性能。

图8 不同信噪比下误码率性能分析图

4 结束语

基于汽车防撞雷达从目标探测单一功能升级到探测-通信功能一体化的背景，本文提出基于扩频编码的FMCW雷达后向散射通信系统，将DSSS技术应用到标签的后向散射调制中，解决了标签后向散射信号能量弱的问题。同时，针对标签目标RCS较小和汽车平台高速运动等特点，给出了扩频编码的码率、码长参数设计方法。与未加扩频的后向散射通信系统相比，本文所提系统具有能够区分车辆和标签目标、在低信噪比环境下更低误码率的优点。系统若要工程实现，还需要考虑扩频码同步、抽样脉冲同步和标签防碰撞等问题，后续研究工作将针对完善系统功能、解决工程实现问题两方面来展开。